Plasma de Nitrógeno Sobre Grafito.en.Es

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C A R B O N 8 4 (2 0 1 5) 4 2 6 - 4 3 3 A v a i l a b l e a t w w w. s c i e n c e d i r e c t. c o m ScienceDirect j o u r n a l h a s p á g in: w w w. e l s e v i e r. c o m / l o c a t e / c a r b o n Generación de grupos nitrilo de grafitos en una descarga de RF-plasma de nitrógeno Andreas Mueller un , Matthias Georg Schwab un , Noemi Encinas b , Doris Vollmer b , Hermann Sachdev un,b,*,1 , Klaus Mullen un,b,* a Materiales de Carbono Centro de Innovación, BASF SE, Ludwigshafen, Alemania b Max-Planck para la Investigación de Polímeros, Química Sintética, Ackermannweg 10, 55128 Mainz, Alemania A R T I C E L I N F O A B S T R A C T La historia del artículo: Partículas de grafito se trataron en una radio de frecuencia de nitrógeno-plasma (RF-plasma) a diferencia Recibido 27 de agosto 2014 potencia de excitación ent. El morfológica, así como modificaciones superficiales químicas eran Aceptado 20 de noviembre 2014 investigado por espectroscopía Raman, SEM, y XPS. Los cambios de la sp 2 / Sp 3 relación de unión Disponible en línea 04 de diciembre 2014 y terminaciones superficiales selectivas por grupos funcionales se lograron. Sobre todo, una directa funcionalización de los grafitos con grupos nitrilo se evidenció por una señal característica nal en 2240 cm _1 en los espectros Raman después de un tratamiento con plasma RF-nitrógeno de alta energía. La contenido total de nitrógeno de hasta el 11% at. fue alcanzado por las condiciones aplicadas. La aumento de la polaridad de las superficies fue confirmada por mediciones de ángulo de contacto. La funcionalización de nitrilo puede servir como andamio sintético para el desarrollo de nuevas rutas hacia la modificación de la superficie química de los sustratos de carbono. Además, el modificado grafitos pueden ser procesados por técnicas de exfoliación comunes que producen nitrógeno modificados nanoplatelets de grafeno directamente en disolventes polares y no polares. _ 2014 los autores. Publicado por Elsevier Ltd Este es un artículo de acceso abierto bajo la CC BY licencia (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/). 1. Introducción Materiales de carbono como grafito, negro de carbono, el grafeno, los nanotubos de auto-bon o cualesquiera otras subcategorías de los mismos son promis-Ing candidatos para una amplia variedad de aplicaciones, por ejemplo, dentro de los campos de almacenamiento de energía y conversión de energía [1,2]. Estos carbonos, y especialmente grafeno, pueden actuar como materiales activos, aditivos o soportes, por ejemplo, como grafitos en electrodos de la batería, o como negros de humo y el grafeno en electrodos para baterías y supercondensadores o soportes de catalizadores en pilas de combustible[3-5]. También encuentran aplicaciones en materiales compuestos híbridos o formulaciones de tinta, por ejemplo, para materiales compuestos conductores a granel, adhE- sivos, recubrimientos y tintas [6,7]. La introducción de sitios químicamente reactivos, ya sea por un sitio de superficie o una modificación sitio de la red es un método general para mejorar el rendimiento de estos materiales de carbono. La funcionalización se basa principalmente en restos que pueden estar vinculados ya sea directamente al marco átomo de carbono o, por ejemplo a través de reactivos de oxígeno o átomos de nitrógeno unidos a la red de carbono. Especialmente la incorporación de nitrógeno es importante para la provisión de centros de reacción química, así como para alterar los lazos adecuados electrónicos y electroquímicos[8-12]. Las funcionalidades más comunes son centros reactivas de nitrógeno que revelan, ya sea átomos de nitrógeno con propiedades donantes o grupos funcionales químicamente reactivos que pueden ser incluso * Correspondiente autores en: Max-Planck para la Investigación de Polímeros, Química Sintética, Ackermannweg 10, 55128 Mainz, Alemania. Correos electrónicos: [email protected] (H. Sachdev), [email protected] (K. Mullen). 1 Dedicado al Prof. Dr. Michael Veith con motivo de su 70 cumpleaños. http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2014.11.054

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ScienceDirect

j o u r n a l h a s p g in: w w w. e l s e v i e r. c o m / l o c a t e / c a r b o n

Generacin de grupos nitrilo de grafitos en una descarga de RF-plasma de nitrgeno

Andreas Mueller un, Matthias Georg Schwab un, Noemi Encinas b, Doris Vollmer b, Hermann Sachdev un,b,*,1, Klaus Mullen un,b,*a Materiales de Carbono Centro de Innovacin, BASF SE, Ludwigshafen, Alemania

b Max-Planck para la Investigacin de Polmeros, Qumica Sinttica, Ackermannweg 10, 55128 Mainz, Alemania

A R T I C E L I N F OA B S T R A C T

La historia del artculo:Partculas de grafito se trataron en una radio de frecuencia de nitrgeno-plasma (RF-plasma) a diferencia

Recibido 27 de agosto 2014potencia de excitacin ent. El morfolgica, as como modificaciones superficiales qumicas eran

Aceptado 20 de noviembre 2014investigado por espectroscopa Raman, SEM, y XPS. Los cambios de la sp2/ Sp3 relacin de unin

Disponible en lnea 04 de diciembre 2014y terminaciones superficiales selectivas por grupos funcionales se lograron. Sobre todo, una directa

funcionalizacin de los grafitos con grupos nitrilo se evidenci por una seal caracterstica

nal en 2240 cm_1 en los espectros Raman despus de un tratamiento con plasma RF-nitrgeno de alta energa. La

contenido total de nitrgeno de hasta el 11% at. fue alcanzado por las condiciones aplicadas. La

aumento de la polaridad de las superficies fue confirmada por mediciones de ngulo de contacto. La

funcionalizacin de nitrilo puede servir como andamio sinttico para el desarrollo de nuevas rutas

hacia la modificacin de la superficie qumica de los sustratos de carbono. Adems, el modificado

grafitos pueden ser procesados por tcnicas de exfoliacin comunes que producen nitrgeno modificados

nanoplatelets de grafeno directamente en disolventes polares y no polares.

_ 2014 los autores. Publicado por Elsevier Ltd Este es un artculo de acceso abierto bajo la CC BY

licencia (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).

1. Introduccin

Materiales de carbono como grafito, negro de carbono, el grafeno, los nanotubos de auto-bon o cualesquiera otras subcategoras de los mismos son promis-Ing candidatos para una amplia variedad de aplicaciones, por ejemplo, dentro de los campos de almacenamiento de energa y conversin de energa [1,2]. Estos carbonos, y especialmente grafeno, pueden actuar como materiales activos, aditivos o soportes, por ejemplo, como grafitos en electrodos de la batera, o como negros de humo y el grafeno en electrodos para bateras y supercondensadores o soportes de catalizadores en pilas de combustible [3-5]. Tambin encuentran aplicaciones en materiales compuestos hbridos o formulaciones de tinta, por ejemplo, para materiales compuestos conductores a granel, adhE-sivos, recubrimientos y tintas [6,7].

La introduccin de sitios qumicamente reactivos, ya sea por un sitio de superficie o una modificacin sitio de la red es un mtodo general para mejorar el rendimiento de estos materiales de carbono. La funcionalizacin se basa principalmente en restos que pueden estar vinculados ya sea directamente al marco tomo de carbono o, por ejemplo a travs de reactivos de oxgeno o tomos de nitrgeno unidos a la red de carbono. Especialmente la incorporacin de nitrgeno es importante para la provisin de centros de reaccin qumica, as como para alterar los lazos adecuados electrnicos y electroqumicos [8-12].

Las funcionalidades ms comunes son centros reactivas de nitrgeno que revelan, ya sea tomos de nitrgeno con propiedades donantes o grupos funcionales qumicamente reactivos que pueden ser incluso

Correspondiente autores en: Max-Planck para la Investigacin de Polmeros, Qumica Sinttica, Ackermannweg 10, 55128 Mainz, Alemania. Correos electrnicos: [email protected] (H. Sachdev), [email protected] (K. Mullen).1 Dedicado al Prof. Dr. Michael Veith con motivo de su 70 cumpleaos. http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2014.11.054

0008-6223 /_ 2014 los autores. Publicado por Elsevier Ltd.

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cargada [por ejemplo, aminas, iminas, nitrilos, isonitrilos, cianatos, isocianatos y cianamidas, NOX-grupos]. Hasta el momento, las especies normalmente discutidos para la funcionalizacin directa de materiales de carbono con nitrgeno son sitios de nitrgeno piridnico, pyrolic y grafito dentro de la red de grafeno [10]. Por otra parte, grupos nitrilo son valiosos para su posterior qumica modifi-cacin, as [13-16]. Por ejemplo, su reduccin qumica de grupos amina permitira la aplicacin de una amplia caja de herramientas sinttico para estrategias de post-funcionalizacin a medida. Adems, los grupos nitrilo pueden ser de gran inters como no-hidrgeno terminado, sitios de reaccin aprticos, por ejemplo, para la coordinacin de catalticamente y centros metlicos electroqumicamente activas [16].

La funcionalizacin de nitrgeno y la incorporacin ha sido demostrado previamente por mtodos qumicos hmedos [17,18], Procedimientos en fase gaseosa tales como deposicin qumica de vapor (CVD) [19] o procesos de plasma-qumicas [20-24] o por cualquier otro medio de dopaje [19,25]. Entre estas estrategias, los productos de '' procesos 'secos' plasma-qumicas son muy deseables puesto que no hay necesidad en relacin con el aislamiento de sol-vents, subproductos o reactivos [20,21,23-25]. En este contexto, la presencia de grupos nitrilo slo se observ hasta ahora dentro de la deposicin de pelculas bombardeada altamente amorfos de nitruro de carbono por un proceso en fase gaseosa, pero no se utiliz en una manera especfica para la sintonizacin de superficie de materiales de carbono a granel [26,27].

Aqu, presentamos la modificacin de polvo de dos difieren-rentes grados de grafito por tratamiento con plasma de nitrgeno en diferentes energas de excitacin. Los experimentos se realizaron en un inductivamente especialmente diseada radio-frecuencia-plasma acoplado (RF-plasma) reactor CVD [28] en una escala de planta piloto para el tratamiento de polvo en atmsferas de gas controladas. Esta configuracin permite una alta flexibilidad en cuanto a tiempo de reaccin y la entrada de energa, as como un tratamiento estadstico de las partculas de polvo individ-UAL dentro de una muestra. Pudimos funcionalizar directamente grafitos con grupos nitrilo por tal proceso en fase gaseosa y sin la necesidad de cualquier tratamiento hmedo chem-ical adicional y por lo tanto puede introducir directamente el nitrgeno polar que contiene grupos. Esto aumenta el carcter hidrfilo de los materiales y sus interacciones superficiales con Sol-respiraderos polares o cualquier materiales compuestos, mejorando as su dis-persibility. Los materiales resultantes se caracterizaron en detalle con respecto a sus cambios morfolgicos y qumicos, mediante SEM, espectroscopia Raman, XPS y mediciones del ngulo de contacto.

2. Experimental

Dos grados de grafito diferentes fueron modificados por un tratamiento de RF-plasma [grafito partcula esfrica, SPG, (sinttico, _20 + 84 de malla, el 99,9%, Alfa Aesar) y grafito en escamas, FG, (naturales, _10 tamao de malla, el 99,9%, Alfa Aesar)]. Todos los materiales de carbono se secaron a 120 LC en vaco durante al menos 12 h antes de los experimentos. Un generador de RF 500 Huettinger PFG se utiliz para la generacin de la RF-plasma acoplado inductivamente (13,56 MHz) en un rango de presin de 0,2-2,0 mbar para las modificaciones de partculas. La carga del reactor depende de la densidad del material y por lo general, se utilizaron 40,0 g de grafito partcula esfrica, SPG, y 20,0 g de grafito en escamas, FG.

Un flujo de gas de nitrgeno (5,0 pureza) de 300 sccm fue utilizado para una fluidizacin suf-ciente de los materiales. Las muestras fueron tratadas de plasma en las condiciones especificadas ms (cf. Apoyando Informacin) En un lecho fluidizado durante 30 min y el recuperado las muestras se almacenaron en un desecador.

Se realiz un anlisis de adsorcin de gas utilizando Micromeri-tics ASAP 2420 superficie y porosidad Analyzer. Raman espectros se midieron con un espectrmetro de Ntegra NT-MDT utilizando 488 nm de longitud de onda de excitacin (2,54 eV), a-ING Grat 600 / mm y un 20 objetivo si no se indica lo contrario. Una Electrnica Fsica PHI 5000 Versa Sonda y Al KA1,2 radiacin (hm = 1486,6 eV) se utiliz para la espectroscopia de fotoelectrones (XPS). El anlisis elemental se realiz con un sistema de cubo Elementar vario Micro. El contenido de oxgeno se determin por un HeKaTech Euro EA Elementaranalysator. Microscopa de barrido elec-tron (SEM) se realiz con un Zeiss LEO 1530 Gemini a 1,0 keV y Hitachi SU8000 a 1,0 keV. Mediciones Powder DIF-fraccin (DRX) se obtuvieron con un difractmetro Bruker D8. Mediciones del ngulo de contacto se obtuvieron mediante un Dataphysics OCA35 contacto ngulo metros de agua desionizada. Adems descripcin detallada se proporciona en el Informacin De Soporte.

3. Resultados y discusin

Las muestras de ambos SPG y FG se modificaron en un reactor de [28] en un nitrgeno RF-plasma utilizando energas de excitacin de aprox. 0,8 kW (denotado como '' N2 plasma LP '') y 1,6 kW (denotado como '' N2 plasma HP ''). Se observ una fuerte interaccin de los materiales con la fase de gas excitado para altas energas de excitacin como se evidencia por espectroscopia Raman, XPS y anlisis SEM.

Todos los materiales de partida revelan las caractersticas espectro-escpica Raman tpicos de carbonos de grafito, es decir, la banda D, el G-mode-gra phitic, la D0-mode y la banda-2D (cf. Fig. 1 y Tabla 1). El modo D se atribuye generalmente al desorden y defectos dentro de la celosa de grafito y se observa comnmente en los espectros Raman de las perturbaciones materiales de carbono dis-juego modificados o dopados dentro de la red cristalina. [29] Los espectros Raman de los materiales de partida indica un mejor Crys-tallinity y grafito de calidad para el FG natural sin tratar, en comparacin con la muestra no tratada de la grafito SPG artificial en trminos de defectos y trastorno (cf. intensidad del modo-D), los cuales Tambin se pone de manifiesto por el que menorD/ YOG ratio y ancho menor a valores mximos de media (FWHM) del 2D-modos Raman G y (para ms detalles vase SI).

Los espectros Raman del plasma de nitrgeno tratada sam-ples indican las modificaciones de ambos materiales ya a bajas energas de excitacin, que se vuelven ms dominantes a energas ms altas. Para la energa baja tratada SPG y FG grafitos, un aumento de la ID/ YOG se observa proporcin de aproximadamente el doble en el primer caso y sobre diez veces en el ltimo caso. El ID0 / YOG relacin est en lnea con esta observacin y sigue la misma tendencia. Otro indicador de la disminucin de la perfeccin cristalina lnea del material es la anchura a media maxi-madre (FWHM) de los modos Raman correspondientes. Los valores de FWHM aumentan despus baja energa tratamiento con plasma de nitrgeno para ambos grafitos. Los espectros de Raman del plasma de nitrgeno de alta energa muestras tratadas indican un mucho

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Fig. 1 - espectros Raman de prstina (1), N2 plasma LP (2) y N2 plasma HP (3) SPG (a) y FG (b). De excitacin 488 nm (2,54 eV), 20 objetivo, la potencia del lser 2.1 mW. Spectra estn desplazados en la direccin Y para una mejor claridad. (Una versin en color de esta figura se puede ver en lnea.)

Tabla 1 - Datos espectroscpicos Raman importantes de muestras de grafito prstinas y plasma tratado. Los valores presentados se han obtenido mediante el anlisis de los espectros se muestra en la Fig. 1. Los datos adicionales, incluyendo valores medios derivados de mltiples puntos de medicin se pueden encontrar en la SI (Tablas S1-S4).

El tratamiento con plasmaPosicin del pico (cm_1) / FWHM (cm_1)Relacin de intensidad

mD/ DFWHMmG/ GFWHMmD0 / D0FWHMmCN/ NCFWHMYOD/ YOGYOD0 / YOG

Pristine SPG1361.7 / 44.91584.0 / 20.91626.2 / 7.5-0,2330,008

N2LP plasma (0,75 kW)1362.0 / 54.61583.7 / 27.41625.2 / 19.5-0,5640,051

N2HP plasma (1,5 kW)1365.6 / 178.11586.6 / 52.91634.3 / 54.72242.3 / 24.94,2720,449

Pristine FG1364.5 / 35.51584.1 / 14.8--0,019-

N2LP plasma (0,8 kW)1360.3 / 71.91584.1 / 19.11618.5 / 37.2-0,4210,063

N2HP plasma (1,6 kW)1367.8 / 174.01584.1 / 20.81624.7 / 61.02239.2 / 26.95,1640,808

modificacin ms fuerte de ambas grafitos. Esto se evidencia por un alto, hasta diez veces, el aumento de la ID/ YOG y yoD0 / YOG relacin, as como por un aumento adicional de la FWHM del G-modos.

Muestras SPG y FG Es importante destacar que para la alta energa modificado plasma de nitrgeno (cf. Fig. 1), Una nueva caracterstica espectroscpico se observa para ambos materiales centrados en alrededor de 2,240 cm_1 (FWHM de alrededor de 26 cm_1) Que puede ser atribuido a un tipo nitrilo firma-aro matic [27,31]. Este modo Raman no se observa para las muestras tratadas a baja excitacin de plasma de energa. Segn la teora, nitrilos dan lugar a relativamente bajas intensi-lazos en espectroscopa infrarroja debido a pequeos cambios en el momento dipolar, mientras que sus modos Raman son fuertemente activo debido a un cambio comparativamente grande en la polarizacin resultante de la modo de estiramiento lineal. Por lo tanto, la espectroscopia Raman es la herramienta ms sensible para detectar pequeas trazas de nitrilos. Esto se puede hacer de forma inequvoca por el modo de Raman detectado aqu en aprox. 2240 cm_1 (Cf., por ejemplo, [27]). Desde observamos pequeas intensidades de seal de las bandas de nitrilo por espectroscopa Raman, esto explica por qu la espectroscopia FT-IR no es suficiente sen-sibles para una deteccin de pequeas cantidades de grupos nitrilo en superficies y, por tanto no da lugar a espectros infrarrojos apropiado. Adems, el uso de un microscopio Raman con un objetivo 100x mejora la seal debido a la excitacin lser enfocado y la acumulacin de la luz dispersada.

La influencia general de la incorporacin de nitrgeno en la red de carbono adems se puede notar por los cambios en el G- y D-bandas de los espectros Raman de plasma tanto

modificado muestras SPG y FG puesto que ya no pueden estar en forma-ted por un solo Lorentz. Una segunda baja frecuencia compo-nente tiene que ser agregado para cada modo de Raman (cf. ejemplo encajar Fig. S1) Que puede atribuirse a fuertemente desordenada, el nitrgeno que contiene carbono amorfo a los de grafito parti-culos superficie de acuerdo con informes de la literatura [29,30].

La formacin de los grupos nitrilo aromticos observados puede explicarse por la reaccin de los tomos de nitrgeno altamente activados rompiendo la celosa grafeno al borde reactiva y primeras posiciones. Ellos se pueden formar por la reaccin de la red tomo de car-Bon con especies de nitrgeno altamente activados (por ejemplo, N2, N+ etc.) proporcionada por un plasma de nitrgeno reactivo y finalmente formar por ejemplo, radicales nitrilo (CN*) O dicyane [(CN)2] Y por lo tanto siendo la escisin co propensos una vez formado en la superficie. La intensidad dbil de la seal Raman de nitrilo a energas incluso altos excitato-tacin implica que grupos nitrilo solamente se pueden formar hasta una concentracin de equilibrio en la superficie. Esto estara en consonancia con la reactividad qumica de los radicales de nitrilo como pseudohalogene [31].

Los cambios morfolgicos de las muestras de grafito se estudiaron tambin por SEM (Fig. 2). Los principales cambios morfolgicos observados despus del tratamiento de plasma en el caso de SPG SAM-ples son la formacin de cambios significativos en el apilamiento de capas y la formacin de poros de tamao micromtrico (cf. SI Fig. S8). Mientras que las exposiciones materiales vrgenes apilan regularidad capas de grafito, una expansin pueden observarse despus del tratamiento con plasma. Adems, un tratamiento con altamente

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Fig. 2 - imgenes de SEM de no tratada y N2 plasma modificado SPG.

resultados de plasma de nitrgeno excitados en un ataque qumico fuerte y modificacin que conduce a la formacin de globulares estruc-turas. La muestra ms regular grafito FG muestra mucho menos morfolgica cambios y por lo tanto mayor estabilidad estructural a la atmsfera de plasma circundante. Mientras que unos bajos resultados del tratamiento de plasma de energa en cambios visibles significativos, un tratamiento de plasma de alta energa indica un ataque en los bordes de la capa de grafito (cf. Figuras del SI. S9 y S10).

Por lo tanto los cambios morfolgicos observados revelan que el SPG ms desordenado es ms propenso a la degradacin por un tratamiento de plasma-reac cin en comparacin con una muestra de FG mayor perfeccin cristalina.

La composicin atmica de la superficie de las muestras vrgenes y de plasma tratado se caracteriza por XPS (cf. Fig. 3). No se detectaron seales N1s para ambos materiales vrgenes, mientras que se detectaron niveles bajos de oxgeno. La muestra no tratada SPG, estructuralmente menos perfecta tiene un contenido de oxgeno de superficie de aproximadamente 1,9% at. En comparacin con el material de partida FG con 0,9% at. De oxgeno (cf. Tablas SI S5 y S6). Este anlisis se correlaciona con la interpretacin de los datos Raman, evidenciando la mejor calidad de grafito para la muestra de FG. Un aumento moderado del contenido de oxgeno de hasta aprox. 2 a.% Se observa para los tratamientos de plasma. Este efecto se atribuye a la tasa de fugas natural del reactor (menos de 0,2 mbar / h), as como a la abrasin potencial de las partes del reactor de cuarzo.

La incorporacin exitosa de nitrgeno en la superficie de las muestras por tratamiento con plasma se confirma por los pro-anunciadas N 1s seales en los espectros de XPS correspondiente para ambos sustratos de grafito (cf. Fig. 3). Mientras que una modificacin de plasma bajo el poder conduce a un contenido de nitrgeno moderada de alrededor del 3% at., Los resultados del tratamiento de alta potencia en un contenido de nitrgeno de superficie de aproximadamente 11% at. De SPG y alrededor del 9% at. De FG. Las seales N1s XPS de tomos de nitrgeno incorporadas en un sp2 tipo

celosa de carbono son asignados por deconvolucin de los espectros, con una asignacin de picos de uso comn para piridnico N (398,8 eV), pirrlico N (400,7 eV) y grafito N (402,3 eV) pe-cie. La seal en 399.3 se puede asignar a grupos amida, amina, ciano, y nitrilo. [22]

Adems de la seal para sp2 se observa el tipo de carbono (284,3 eV), un aumento de las especies en energas de enlace ms altos de las materias tratadas en plasma de baja potencia, lo que es an ms pronunciada para las muestras modificadas de alta potencia (cf. Fig. 3). La seal en 285,1 eV se puede atribuir a la SP3 escriba carbono. Su incremento por tratamiento con plasma evidencia la introduccin de defectos y el desorden y se correlaciona perfectamente con los espectros Raman y anlisis SEM. Las otras seales en las energas ms altas (286,3 eV, 287,9 eV, 289.3) pueden resultar de tomos de carbono unidos a oxgeno o especies de nitrgeno. Dado que el incremento total del contenido de oxgeno en modifi-cin de plasma es bastante bajo, pero el aumento de la seal N1s es bastante alto, relacionamos estas caractersticas a C-N, C@N y CN (nitrilo) tipo de bonos.

Los materiales vrgenes, as como el plasma tratado SAM-ples de ambos grados de grafito se analizaron mediante mediciones elemental anal-analysis, difraccin de rayos X y de sorcin de nitrgeno para dilucidar cualquier cambio a granel. No se observaron diferencias significativas entre los materiales no tratados y tratados para la composicin elemental a granel, el rea superficial BET y el grafito interplanar distancias. Esto indica que el proceso qumico de plasma empleado se traduce principalmente en una modificacin sur-cara de los materiales de grafito investigados en este estudio.

Con el fin de dilucidar las propiedades materiales de estos grafitos-Flui dizable, las mediciones del ngulo de contacto fueron per-formado en muestras comprimidas para estudiar los cambios en el carcter hidrfilo por funcionalizacin de nitrgeno (cf. Fig. 4). El ngulo de contacto de las muestras FG de nitrgeno tratada

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Fig. 3 - N 1s y 1s C espectros XPS de N2 plasma modificado SGP (a) y FG (b). Incorporacin de nitrgeno se confirma por el N 1s seal observada despus de los tratamientos de plasma. (Una versin en color de esta figura se puede ver en lnea.)

se disminuye lo que se puede explicar con un carcter hidrfilo mayor de esta muestra. Dado que la muestra de partculas de grafito necesita ser comprimido antes de la medicin que resulta en rotura de las partculas, aqu inevitablemente una nueva superficie se genera conduce a ngulos de contacto similar a la del material de partida. Es digno de mencin que las muestras son altamente higroscpico aunque se almacenaron directamente despus de

la sntesis en condiciones inertes (cf. variacin de la con-tacto mediciones angulares ver SI Fig. S11).

El aumento del carcter hidrfilo de los grafitos materiales nitrgeno modi-ficado ser beneficioso para, por ejemplo tcnicas de exfoliacin comunes para preparar dispersiones dis-nanoplatelet grafeno en disolventes polares, la decoracin de metal de iones para aplicaciones catalticas o preparacin de materiales compuestos. Mientras que una

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Fig. 4 - (a) ngulos de contacto de agua de FG prstina y modificado y muestras de SPG. (B) las estadsticas de medicin para muestras FG prstinas y modificados. (c) las estadsticas de medicin para muestras SPG vrgenes y modificadas.

Fig. 5 - Ilustracin de la N2 modificacin plasma de grafito y ejemplos para posibles pasos posteriores de derivatizacin que explotan los grupos de nitrgeno y de nitrilo injertadas. (Una versin en color de esta figura se puede ver en lnea.)

nitrilo funcionalizacin de materiales de carbono es hasta ahora slo logra mediante mtodos qumicos hmedos, un tratamiento de estos materiales en un plasma de nitrgeno altamente excitado permite un mod-ficacin en un ambiente seco y limpio y sin colocar pasos-ing proceso [13-16]. Adems, otro nitrgeno co-formado

grupos funcionales junto con los grupos nitrilo pueden ser de piel de Ther qumicamente modificado por reacciones orgnicas estndar para varios derivatizacin adicionalmente, por ejemplo por reduccin de grupos amina funcionales uniformes o por hidrlisis de grupos de cido carboxlico (cf. Fig. 5).

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4. Conclusin

Hemos demostrado que muestras a granel de carbono graftico pueden ser fuertemente nitrgeno funcionalizado en la superficie mediante una reaccin de CVD RF-plasma, dando lugar a grupos nitrilo a alta excitacin de plasma como se evidencia por espectroscopia Raman. Un contenido de nitrgeno superficial de hasta 11% at. Se logr como por XPS y est acompaada por un cierto grado de amorphiza-cin superficie como se indica por un aumento de la banda D y sp3contenido -carbono. No hay formacin de nitrilo se detect por Raman spec-espectroscopia a bajas energas de excitacin de plasma, resultando en un contenido de nitrgeno de slo aproximadamente 3 a.%. Estos resultados estn de acuerdo con una fuerte erosin de la superficie y la modificacin por el tratamiento de plasma, dando lugar a la formacin de especies que contienen nitrgeno voltiles (tales como por ejemplo los radicales CN, dicyane [(CN)2], Y HCXN, etc.). La disminucin del ngulo de contacto del agua indica una polaridad superficie mayor para los grafitos de nitrgeno modificado. Las modificaciones de nitrgeno y de nitrilo obtenidos pueden ser utilizados ms para la decoracin de metal y modificacin qumica posterior para obtener grupos qumicos uniformes.

El proceso presentado proporciona un acceso rpido y escalable a nuevos materiales de carbono de nitrilo funcionalizado para solucin pro-procesamiento, soportes de catalizadores y materiales compuestos, y se espera una modificacin siquiera stron-ger de partculas de carbono de tamao ms pequeo o gran rea superficial.

Los aspectos de este trabajo son, adems, una importancia relativa a la erosin de los materiales de carbono en severas environ-mentos, por ejemplo, aplicaciones espaciales y los aspectos de reentrada en la atmsfera.

Reconocimiento

Estos trabajos son apoyados por la financiacin del Consejo Europeo de Investigacin para el 7PM subvenciones avanzadas ADG-2010 267 160 '' NANOGRAPH '' - manera de hacer y utilizar Perfect grafenos del qumico. Los autores desean agradecer al Dr. I. Lieberwirth y G. Glasser para mediciones SEM y el Dr. S. Hirth y P. Muehlbeier-Entzminger para XPS medida-mentos y B. Rietz de asistencia en CMIC.

Apndice A. datos suplementario

Datos complementarios asociados a este artculo se pueden encontrar, en la versin en lnea, en http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon. 2014.11.054.

R E F E R E N C E S

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